Условие самопроизвольной кристаллизации

Кристаллизация металлов

Лекция 3

Кристаллизация – это переход металла из жидкого состояния в твердое, кристаллическое. В жидкости не существует дальнего порядка: расстояния между атомами не являются постоянными во всем объеме. В процессе кристаллизации должен установиться этот дальний порядок: во всем объеме металла атомы должны расположиться упорядоченно, образуя кристаллическую решетку.

Процесс кристаллизации может идти самопроизвольно, а может вызываться какими-то искусственными причинами.

В термодинамике самопроизвольно идут только те процессы, которые приводят к уменьшению свободной энергии системы. Свободная энергия как жидкого, так и твердого металла снижается с повышением температуры (рис. 13).

Кривые зависимости F(T) для твердого и жидкого состояния одного и того же металла пересекаются в точке S, которой соответствует температура T_s. При температуре T ₁ < T_s термодинамически устойчиво твердое состояние металла, так как F _тв < F _ж. Значит, при любой температуре ниже T_s будет идти процесс кристаллизации. Если же температура T ₂ > T_s, то, наоборот, устойчиво жидкое состояние металла: F _ж < F _тв. При температуре, превышающей T_s, металл будет плавиться.

В точке S система находится в состоянии равновесия: F _ж = F _тв. Поэтому в объеме металла будут одновременно присутствовать и жидкость, и кристаллы. Кристаллы будут то появляться, то снова плавиться, но до конца не дойдет ни плавление, ни кристаллизация, потому что нет энергетического стимула – разности свободных энергий (рис. 14). Так ведет себя вода при 0 ºC: она остается в виде каши из жидкости и кристаллов льда или снега до тех пор, пока температура не поднимется или не снизится.

Температура T_s, при которой свободная энергия жидкого и твердого состояния одинакова, называется теоретической температурой кристаллизации.

Самопроизвольная кристаллизация начинается только при некотором переохлаждении относительно теоретической температуры кристаллизации.

Разность между теоретической и реальной температурой кристаллизации T_s – T _р = Δ T называется степенью переохлаждения. У чистых металлов степень переохлаждения может достигать сотен градусов, но обычно при изготовлении отливок из металлов технической чистоты и сплавов она не превышает 30-40º.

Закономерности кристаллизации

1) На кривой охлаждения при кристаллизации возникает горизонтальная площадка. Это происходит из-за выделения скрытой теплоты кристаллизации, которая компенсирует отвод тепла в окружающую среду (рис. 15).

Некоторые металлы, например сурьма, кристаллизуются с таким бурным выделением скрытой теплоты кристаллизации, что температура расплава скачком повышается.

2) Чем больше скорость охлаждения, тем б о льшая степень переохлаждения достигается при кристаллизации (рис. 16):

V ₃ > V ₂ > V ₁ ® Δ T ₃ > Δ T ₂ > Δ T ₁

Дата добавления: 2014-01-11